셰일가스 분포현황 및 개발동향
미국과 캐나다를 중심으로 시작된 셰일가스 개발시 장은 이미 중국과 유럽지역으로 빠르게 확대되고 있 다. 현재, 북미는 물론 중국, 호주, 유럽 등 전세계가 셰일가스를 비롯한 비전통 가스자원의 확보와 관련기 술의 개발에 촉각을 곤두세우고 있다. [그림 1]은 전
세계 48개의 주요 셰일가스 분지를 나타내고 있다. 여 기서 붉은색의 분지는 원시부존량(original gas in place, OGIP)이 산출된 분지이며 노란색의 분지는 구 조는 존재하나 부존량의 평가가 완료되지 못한 지역 이다(Lee, 2012). 또한, 현재 조사는 옅은 회색으로 표기된 지역에 대하여 실시된 것으로 짙은 회색지역
는 기타지역과 달리 북미의 천연가스 가격은 지속적으로 하락하였다.
셰일가스 개발로 인하여 저렴해진 가스 가격의 영향으로 북미산업은 재도약의 터전을 마련하고 있다. 먼저 발전분야의 에너지원별 변화를 볼 수 있는데 다른 지역과 마찬가지로 북미지역은 원자력과 수력을 기저발전 으로 사용하고 있으며 발전 수요량에 맞추어 석탄발전과 가스발전을 추가로 적절히 사용하고 있었는데 최근 의 가스 가격하락으로 석탄발전량은 감소하고 가스발전량은 증가하여 2012년 4월에는 가스발전량과 석탄발 전량이 같은 수준에 이르게 되었다. 또한 낮은 가스 가격으로 인하여 북미산업계에서는 운전비용의 절감이 가 능하게 되어서 산업 경쟁력이 높아지게 되었으며 특히 석유화학업계의 경우에는 셰일가스의 채굴시 동시에 생산되는 에탄 등을 활용한 Downstream전개가 가능해 짐에 따라서 신규 투자에 적극적인 방향으로 선회하 고 있다.
이러한 시점에서 북미에서 시작된 셰일가스개발이 우리나라 화학산업에 미치는 영향을 검토하고 이에 대응하 기 위한 다양한 노력을 전개하는 것이 필요하다고 본다. 본 기획에서는 셰일가스에 대한 일반적인 내용으로부 터 관련 기술개발에 대한 내용까지 관련분야의 전문가들의 의견을 제시하였다. 본 기획이 셰일가스로 인하여 국내 화학산업에 불어오는 큰 파고를 현명하게 넘어서는 계기가 되기를 희망한다.
4) W. Liss, Chem. Eng. Prog., 108(8) 35(2012).
셰일가스 개발 현황 및 주요 핵심기술 검토
이 근 상
한양대학교 자원환경공학과, [email protected]
표 1. 미국내 분야별 가스가격 변동과 이에 따른 경제효과4)구 분 산업용 발전용 상업용 가정용
2008 기준
백만 Btu당 가격 ($) 9.65 9.26 12.23 13.89
2011 기준
백만 Btu당 가격 ($) 5.02 4.87 8.86 10.80
변동 -48.0% -47.4% -27.6% -22.2%
분야별 절감액 (10억$) 31.3 33.4 10.7 14.7
은 아직까지 정확한 조사가 진행되지 않은 지역으로, 향후 자원의 부존가능성이 있는 지역이다. [표 1]은 2011년 미국 에너지정보청(EIA)이 각 대륙별 셰일가 스 부존량과 자원량을 평가하여 제시한 것이다. 셰일 가스 자원은 현재 조사가 많이 진행되지 않은 동유럽, 러시아 및 중남부 아프리카를 제외하면 대부분의 조 사 지역에서 부존하고 있어, 세계 모든 대륙에 광범위 하게 분포되어 있을 것으로 추정되고 있다(EIA, 2011b). 각 지역별 평가결과는 [그림 1]에 제시된 것 과 다소 차이가 있는데 이는 [그림 1]이 미국 에너지 정보청의 2011년 자료를 기반으로 BP가 자체적인 분 석결과를 반영하여 수정한 것이기 때문이다. 현재로
는 두 자료 모두 참고적인 것으로, 아직 지역별 조사 가 계속되는 시점이고, 기관별 판단기준이 다른 상황 에서 자료 신뢰성의 우열을 논하기에는 다소 시기상 조이다.
1) 미국
“미국발 셰일가스 혁명”이라 일컬어질 정도로 미국 은 전세계 셰일가스의 91%를 생산하는 세계 최대의 셰일가스 자원 개발국이다. 미국의 셰일가스 자원량 은 약 750 Tcf로 알려져 있고, 미국 내 분포현황은 [그림 2]에 제시되어있다(IEA, 2012). 주요 부존지역 은 Northeast, Gulf Coast, Southwest 지역으로 크게 구분되며 각각 전체 부존량의 63%, 13%, 10%를 차 지한다. 이 중 가장 큰 셰일가스 분지는 Marcellus Play로서 약 1,500 Tcf가 부존되어 있으며 최대 500 Tcf가 생산가능 자원량으로 평가되고 있다. 다음으로 Haynesville과 Barnett Shale 순으로 부존량이 크다.
반면 가스전의 일일 총 생산량은 Barnett Shale이 2010년 기준으로 최대이며 저류층의 두께가 가장 두 꺼운 것이 특징이다.
1980년에 정부차원의 셰일가스 세금공제안이 수립 되었고, 1990년 이래 채굴 관련 환경규제 완화 및 기 그림 1. World shale gas resources distribution map (EIA, 2011a).
표 1. Shale gas resources and GIIPs by continent (EIA, 2011b)
Continent Risked Gas In Place (Tcf)
Risked Technically Recoverable (Tcf)
North America 3,856 1,069
South America 4,569 1,225
Europe 2,587 624
Africa 3,962 1,042
Asia 5,661 1,404
Australia 1,381 396
Total 22,016 5,760
술지원 등과 같은 정부차원의 적극적 지원과 막대한 셰일가스 부존량, 최신 채굴 및 회수기술 등을 바탕으 로 셰일가스 자원 개발을 선도하고 있다. 이에 따라 메이저 석유회사들은 향후 셰일가스가 북미 지역의 주요 에너지원으로 등장할 것으로 예상하고 셰일가스 자산 매입을 적극 추진하고 있다. 최근에는 중국 및 말레이시아 국영기업과 일본 종합상사 등도 셰일가스 자산을 공격적으로 매입하고 있다.
2) 캐나다
캐나다의 셰일가스 부존량은 388 Tcf로 세계 7위의 셰일가스 부존국가이다. 주요 셰일가스 분지는 서부 지역의 Alberta와 British Columbia, 동부의 Quebec 주, Nova Scotia, New Brunswick에 분포하고 있다.
[그 림 2]에 서 보 듯 이 Horn River, Cordova Embayment, Liard, Deep Basin/Montney, Colorado Group의 5개 분지로 구분된다. 이 지역의 원시부존량 (risked GIP)은 1,326 Tcf, 자원량은 355 Tcf로 평가 되고 있다. 현재 한국가스공사가 Horn River 분지와
Deep Basin/Montney 분지 내 세 개 광구에서 EnCana와 50:50의 지분으로 셰일가스 개발사업을 진행 중에 있다(백문석, 2011). 2012년 5월 30일에는 Horn River 분지 Kiwigana 광구에서 셰일가스가 최 초로 생산된 바 있다. 자국 내 상업적 생산은 미비한 수준이나 세제조건이 15%이하로 양호하고 아시아 지 역으로 수송비 측면에서 미국에 비해 유리한 조건을 보유하고 있다. 이에 따라, 미국과 캐나다에서는 중국 등 아시아 지역과 유럽지역 등으로 수출하기 위한 LNG 사업의 추진이 진행되고 있다.
3) 중국
중국은 세계 최대 셰일가스 매장국으로 [그림 3]에 비전통가스자원의 분포 현황이 제시되어 있다. 주요 셰일가스 분지는 Sichuan Basin과 Tarim Basin에 분 포하고 있으며, Ordos, Sichuan Junggar Basin에는 석탄층가스가 매장되어있다. 2004년 셰일가스에 대한 조사를 시작하였으나 2009년 미국과 중국 간의 셰일 가스 자원개발지원 협력 체결 후 본격적인 개발에 착 수하였다. 또한 2020년에는 전체 가스의 10% 이상을 셰일가스로 충당한다는 목표를 수립한 바 있다. 중국 주요기업의 추진현황으로는 CNPC(China National Petroleum Corp.)가 자 회 사 인 Petro China와 Sichuan, Dianqianbei 분지 등에서 개발 프로젝트 등 이 있다. 별도로 Sichuan과 Fushun-Yongchuan 광 구에 대하여 Shell과 연간 10억불씩 5년간 투자협정을 체결하고 2010년부터 개발을 진행 중에 있다.
Weiyuan, Changqing 광구에 대하여서 개발을 진행 할 예정이며 Dianqianbei 분지 Zhaotong 지역에서 시 범사업을 진행 중이다. 그 밖에 Sinopec이 BP와 중국 내 Guizhou성, Jiangsu성에서 개발을 추진 중이다. 해 외에서는 PetroChina가 캐나다 Encana의 Cutbank Ridge 지분을 54억불에 인수, 셰일가스전 자산매입에 착수하였고 CNOOP(China National Offshore Oil Corp.)는 2010년 10월 미국 Chesapeake의 Eagle Ford와 Niobrara 지분 1/3을 인수한 바 있다.
그림 2. Major unconventional natural gas resources in North
America (IEA, 2012).
2012년 3월 제12차 국가계획에서 셰일가스를 비롯 한 비전통자원개발의 착수를 천명한데 이어, ① 전국 셰일가스 자원량 및 분포파악, ② 30~50개 셰일가스 잠재지역과 50~80개 유망목표 지역 선정, ③ 확인 셰 일가스 부존량 21.2 Tcf, 매장량 7 Tcf 달성 ④ 2015 년까지 연간 0.2 Tcf의 셰일가스를 생산하는 네 가지 의 목표를 제시한 셰일가스 개발 5개년 계획을 발표 하였다(Zhongningnin, 2012). 이에 대해 일부에서는 중국이 셰일가스 개발에 대해 너무 낙관적인 견해를 가지고 있다는 우려를 표명한 바 있다(GlobalData,
2012). 이러한 우려의 주요 요인으로는 Sichuan 분지 외 지역에서 수압파쇄 등에 필요한 물 부족, 중국 전 역의 천연가스 배관망 등의 인프라 부족, 중국 셰일가 스 성분에 많이 함유된 것으로 알려진 H2S 문제, 파쇄 에 요구되는 화학제 등에 따른 환경오염 등을 들 수 있다.
4) 유럽지역
북미, 중국지역 외에 향후 셰일가스 산업이 확대될 것으로 예상되는 또 하나의 지역은 유럽이다. 그러나 유럽은 지질 구조가 타 지역에 비하여 훨씬 복잡하여 북미지역과 같은 크고 단순한 구조의 셰일가스층의 부존 가능성이나 상업성이 높은 유망구조와 지역의 발견 가능성이 낮고 원시부존량도 크지 않은 편이다.
또한 환경적 규제와 국가 간의 이해관계 등에서 개발 의 추진이 쉽지 않은 점이 셰일가스 개발이 지연되는 또 다른 요인이 될 수 있을 것으로 알려져 있다. 현재 알려진 유럽의 셰일가스 주요 부존지역은 [그림 4]에 제시되어 있으며 영국의 원시부존량이 약 97 Tcf, 프 랑스가 717 Tcf, 폴란드 792 Tcf, 터키 64 Tcf 수준으 로 알려져 있다(Lankani, 2012). 최근 Shell이 스웨덴 에서 Cambro-Rodovician Alum Shale 개발을 추진 중이고, 영국과 프랑스에서도 개발을 위한 움직임이
그림 3. Major unconventional natural gas resources in China
(IEA, 2012).
그림 4. Major unconventional gas resources in Europe (IEA, 2012).
감지되고 있다. 그러나 실제 미국의 지질구조와 유사 하고 유럽에서 가장 유망한 지역인 폴란드가 셰일가 스 개발 가능성이 가장 높은 지역으로 보고되었다.
ConocoPhilips가 최초로 파일럿 규모의 생산을 개시 했고, 2010~2011년 사이에 총 16개의 셰일가스 개발 정이 시추되었다. 지난 2년간 폴란드에서 약 44개의 셰일가스 개발 계약이 체결되었고, 2012년에는 PGNiG, Marathon Oil, BNK Petroleum, ExxonMobil, Talisman이 시추를 계획 중에 있다. 폴 란드에서의 셰일가스 개발은 미국과 캐나다의 북미지 역 이외에서 셰일가스의 개발이 진행되는 최초의 사 례라는 점에서 주목받고 있다.
셰일가스 관련 핵심기술
셰일가스는 공극률이 매우 작으며 극저투과성 암체 와 복잡한 구조의 자연균열을 갖고 있다. 또한 셰일가 스는 암체 및 자연균열에 유리가스와 흡착가스의 형 태로 존재하며 저류층이 얇고 넓게 분포하는 특징을 가지고 있다. 이와 같은 지질학적, 암석학적 특성을 고 려하였을 때 전통가스전에 비하여 회수율이 훨씬 낮 고 복잡하고 난해한 분석, 해석 및 설계 기술이 필요 하다. 셰일가스 개발에 필요한 핵심 기술을 다음과 같 이 요약해 볼 수 있다.
1) 탐사기술
셰일가스 분지 지질정보 데이터베이스 구축하고 표 준화된 평가모델을 개발하는 기술을 말하며 각 분지 별 특성 및 장단점 파악, 형성과정 및 탄화수소 분포 파악, 지질모델 구축, upscaling 및 downscaling으로 저류층 시뮬레이션 모델의 기반 마련한다. 매장량 계 산을 위한 투과도, 포화도, 공극률, 부피, 면적 등의 요 소를 산출하기 위한 검층, 코어자료 실험실 모델 분석 및 자료 업데이트로 인한 지질모델링 개선 등을 통해 유망지역을 선정하고 향후 셰일가스 개발에 활용할 수 있다. 또한 미세지진 발생 시 자동으로 이벤트를 탐지하고 위상을 발췌하여 이벤트의 발생위치를 계산
하는 미세지진(microseismic) 모니터링 기술을 통해 수압파쇄 후 셰일가스 부존 층 내부에서의 미세균열 의 분포를 파악할 수 있다.
2) 셰일가스전 저류 관련 기술
셰일가스 저류층 물성(투과도, 압력, 온도, 표피인 자 등)과 향후 운영관련 문제점 발생 여부 파악위한 가스정시험 기법 및 해석기술, 코어 실험을 통한 셰일 가스 암체 내 유동 및 전달 특성 분석기술, 셰일가스 생산 감퇴 곡선을 이용한 생산예측기술, 셰일가스의 현장적용 시뮬레이션 활용기법 등의 기술이 포함된다.
3) 셰일가스의 시추 및 운영관련 기술
셰일가스 개발 시 수직시추, 방향성시추, 수평시추 등 방향성 시추궤도의 안전성을 분석하고 생산지질 특성에 따른 시추특성 분석하여 최적 시추위치를 선 정하는 것이 필요하다. 수평 방향시추 메커니즘 설계 및 시추중측정(measurement while drilling, MWD) 기술을 위한 센서 시스템 등 시추작업의 효율성 및 안 정성과 관련된 기술을 말한다.
4) 다단계 수압파쇄 평가기술
셰일가스 저류층에서 수압파쇄 시 생산에 영향을 미치는 인자를 선정 및 분류 하여 가이드라인을 제시 하고 다양한 균열조건에서의 생산량 모의실험결과를 통해 암석의 역학적 물성을 보정할 수 있다. 이러한 자료는 수압파쇄 과정의 모사에 활용되며 최적 파쇄 압 및 파쇄영역을 산정할 수 있게 된다.
요약
셰일가스의 특성, 글로벌 셰일가스의 개발동향 및 주요 개발 기술에 대해 살펴보았다. 향후 수십년간 석 유·천연가스는 전체 에너지원 중 60% 이상 유지할 것으로 전망되고 있고 천연가스 에너지원의 비중은 가장 빠른 성장을 보일 것이라고 예측되고 있다. 저투 과성 세일층 내에 부존하는 셰일가스의 매장량은
세계시장 동향 및 전망
셰일가스의 구성 성분을 보면 주로 메탄으로 구성 되어 있으며 그 비율은 가스정에 따라 다르나 70~90%를 차지하고 있으며 이외에 에탄이 5% 그리 고 콘덴세이트가 5~25%를 차지하고 있다. 이 중 메
탄은 난방연료 및 발전용, 에탄은 석유화학 원료, 콘덴 세이트는 LPG 및 석유화학 원료로 활용이 가능하다.
셰일가스의 구성성분중 화학원료로 활용될 수 있는 대표적인 물질이 에탄인데 이는 에탄 크래커를 통하 여 에틸렌으로 전화될 수 있기 때문이다. 현재 에틸렌
1) 본 기고는 2012년 민관합동 셰일가스 TF 산업분과의 활동을 근거로 작성된 것이며 자료를 제공해 주신 한국석유화학협회에 특별히 감 사드립니다.
5,760 Tcf로 이는 전세계가 60년 동안 사용할 수 있을 만큼 막대한 양이고 전통가스와는 달리 북미, 중국, 유 럽 등 비교적 고르게 분포하고 있다. 현재까지는 막대 한 부존량과 수평시추, 수압파쇄와 같은 개발 기술 및 운송 및 판매를 위한 기반시설을 토대로 미국이 셰일 가스 개발 사업을 이끌고 있지만 향후 북미, 중국 및 유럽지역 등으로 확대될 것이라 전망된다. 셰일 가스 를 비롯한 비전통자원의 경우 탐사 위험은 작은 반면 개발 및 생산 분야에서는 전통자원보다 훨씬 높은 수 준의 첨단기술이 필요하다. 셰일가스 개발 사업 진출 기회 확대 및 수익성 제고를 위하여 반드시 적정 수준 의 개발 및 생산 기술을 확보해야 하며 이를 통하여 중장기적인 경쟁력을 확보하고 다른 비전통자원 개발 을 위한 기술적 토대를 구축해야 한다.
참고문헌
1. 백문석, 한국지구시스템공학회지, 48, 532 (2011).
2. 지식경제부, 셰일가스 개발 전망과 향후 추진 전략
(2012).
3. EIA, Review of emerging resources: U.S. shale gas and shale oil plays, US DOE, Washington (2011a).
4. EIA, World shale gas resources: An initial assessment of 14 regions outside the United States, US DOE, Washington (2011b).
5. GlobalData, China's five-year shale gas development plan seems optimistic, GlobalData, New York (2012).
6. IEA, World energy outlook special report on unconventional gas: Golden rules for a golden age of gas, International Energy Agency, Paris (2012) 7. R. Lankani, What role will international investment
play in shale play development?, Shale Gas Workshop, Oran, Algeria, February 27-28 (2012).
8. H. Lee and S. William, LNG fuelled vessels, KOGAS - ABS Technical Cooperation Seminar, Ansan, Korea, May 25 (2012).
9. Zhongningnin, China's natural gas industrial outlook,”
China University of Petroleum, KOGAS Technical Cooperation Seminar, Seongnam, Korea, May 15 (2012).
국내 석유화학산업에 대한 영향 및 대응방안
1)박 은 덕
